高慶娜

(中國石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司，山東 青島 266427)

靜設(shè)備是指沒有驅(qū)動機(jī)帶動的非轉(zhuǎn)動或移動的設(shè)備，主要包括承壓類特種設(shè)備及非壓力管道、常壓儲罐、加熱爐、分離器、過濾器、干燥設(shè)備、換熱器、消防設(shè)備設(shè)施、閥門及其他輔助設(shè)備設(shè)施。靜設(shè)備作為設(shè)備設(shè)施分類分級中重要的一類，其完整性在資產(chǎn)完整性概念范疇內(nèi)，是資產(chǎn)完整性的一部分【1-2】。通過總結(jié)歸納設(shè)備損傷機(jī)理、失效模式，明確可接受的風(fēng)險水平，完善設(shè)備設(shè)施資產(chǎn)完整性管理體系，積極開展LNG接收站靜設(shè)備完整性管理技術(shù)【3】的研究，改變原有碎片化、經(jīng)驗式、各自為戰(zhàn)式的管理弊病，不斷加快數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展，形成設(shè)備管理信息共享、統(tǒng)一的管理模式，可以最大限度地確保設(shè)備設(shè)施系統(tǒng)的有效運(yùn)行，及時消除設(shè)備設(shè)施的不安全狀態(tài)，從而使接收站在生產(chǎn)運(yùn)行過程中的安全保障得到更進(jìn)一步的提高。

1 研究目標(biāo)

本文研究基于LNG接收站關(guān)鍵靜設(shè)備損傷機(jī)理、失效模式、故障模式分析，旨在優(yōu)化風(fēng)險要素監(jiān)測和評價【4】。通過將管理制度建設(shè)和基于風(fēng)險和可靠性的檢測監(jiān)測以及評價技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合，建立具有預(yù)警、安全狀態(tài)監(jiān)測和評價功能的站內(nèi)設(shè)備設(shè)施完整性管理體系，降低事故率、管控風(fēng)險和成本，提升接收站設(shè)備設(shè)施管理水平。

2 靜設(shè)備完整性管理的實(shí)施

接收站設(shè)備設(shè)施完整性管理是通過分析接收站各類設(shè)備的失效/故障模式及持續(xù)識別分析運(yùn)行中的風(fēng)險因素，借助檢監(jiān)測技術(shù)評價設(shè)備設(shè)施的適用性和可靠性狀態(tài)，制定和實(shí)施最優(yōu)化的維修維護(hù)等風(fēng)險控制措施，達(dá)到以經(jīng)濟(jì)合理的管理成本持續(xù)減少安全事故、提高風(fēng)險管理水平的目的【4】。接收站的設(shè)備設(shè)施主要包括：壓力管道、LNG儲罐、輕烴球罐、罐內(nèi)泵、外輸泵、BOG壓縮機(jī)、海水泵、空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)、氣化器、卸料臂、安全聯(lián)鎖裝置、電氣設(shè)備等。

設(shè)備設(shè)施完整性管理流程包括數(shù)據(jù)采集、分類分級、風(fēng)險評價、維護(hù)維修、變更報廢和效能評價6個要素。該流程可使接收站設(shè)備的安全及風(fēng)險狀態(tài)在工作實(shí)施過程中得到持續(xù)管控。接收站完整性管理工作循環(huán)如圖1所示。

圖1 接收站完整性管理工作循環(huán)

2.1.1 數(shù)據(jù)收集

開展接收站設(shè)備設(shè)施完整性管理需要的數(shù)據(jù)來源包括設(shè)計、采購、施工、投產(chǎn)、運(yùn)行、廢棄等過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，必要時可包括測繪、環(huán)境、社會資源、應(yīng)急等數(shù)據(jù)。接收站采集的數(shù)據(jù)項、來源及呈現(xiàn)方式如表1所示【5】。

表1 接收站資料收集來源

2.1.2 分類分級

結(jié)合接收站設(shè)備設(shè)施類型、功能和特性，按照管理方式，可分為動設(shè)備、靜設(shè)備、電氣設(shè)備、儀表及工業(yè)控制設(shè)備、裝卸加注設(shè)施、起重運(yùn)輸設(shè)備6大類。其中，動設(shè)備含罐內(nèi)泵、外輸泵、BOG壓縮機(jī)、海水泵、空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)；靜設(shè)備含壓力管道、LNG儲罐、輕烴球罐及其他壓力容器；電氣設(shè)備含輸變電設(shè)備、電機(jī)回路、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)；儀表及工業(yè)控制設(shè)備含儀表、計量器具、化驗儀器、工業(yè)控制系統(tǒng)；裝卸加注設(shè)施含卸料臂、裝車撬；起重運(yùn)輸設(shè)備含臂架類型起重機(jī)、橋式類型起重機(jī)、電梯、搬運(yùn)機(jī)械、載貨車輛、消防專用車。

根據(jù)設(shè)備設(shè)施的生產(chǎn)重要性、自身重要性、設(shè)備故障后果、設(shè)備可靠性、設(shè)備使用頻率和故障頻次、維修復(fù)雜性等因素進(jìn)行分級。采用量化的關(guān)鍵性評價方法，根據(jù)各設(shè)備設(shè)施分級要素的總評分值，將設(shè)備分為關(guān)鍵設(shè)備(A類)、主要設(shè)備(B類)、一般設(shè)備(C類)3個級別。其中，A類設(shè)備包括超過設(shè)計年限并辦理延期使用登記的承壓類特種設(shè)備，如LNG儲罐，卸料臂，裝車撬，安全閥、爆破片等泄壓放空裝置，關(guān)鍵止逆閥，緊急切斷閥，高空火炬，登船梯，快速脫纜鉤，可燃?xì)怏w、有毒氣體檢測報警器和系統(tǒng)，火災(zāi)報警系統(tǒng)，緊急停車系統(tǒng)，SIS，國控環(huán)保儀表。B類設(shè)備包括發(fā)電機(jī)(含燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)組、汽油發(fā)電機(jī))、搬運(yùn)機(jī)械(含手動液壓搬運(yùn)車)、運(yùn)輸車輛(含載貨、載客車輛，電瓶車)、生產(chǎn)輔助車輛(含維修作業(yè)車、消防專用車)。

本文分析識別的范圍僅針對靜設(shè)備，不包括動設(shè)備、電氣設(shè)備、儀表及工業(yè)控制設(shè)備等。

2.1.3 風(fēng)險評價

失效可能性與失效后果是組合變量，風(fēng)險即是概率和后果量化后二者的乘積。在有些情況下，風(fēng)險是指期望(事件)的偏離。風(fēng)險評價即是按照給定的風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)用來比較估計風(fēng)險的過程。接收站設(shè)備設(shè)施風(fēng)險評價包括損傷失效/故障模式識別和風(fēng)險計算評級兩個方面的內(nèi)容。結(jié)合接收站設(shè)備材質(zhì)(含腐蝕敏感性)、工況及工藝物流(含腐蝕流)等信息，綜合分析站內(nèi)工藝設(shè)備主要存在的損傷類型，包括腐蝕減薄、環(huán)境開裂、機(jī)械損傷等，其中，風(fēng)險因素有大氣腐蝕(含保冷層下腐蝕)、沖刷、振動疲勞、應(yīng)力腐蝕開裂、汽蝕、微生物腐蝕等。對壓力容器、壓力管道等靜設(shè)備劃分評價單元，并計算各單元的失效可能性與后果，綜合分析上述計算結(jié)果，確定設(shè)備得到風(fēng)險程度并劃分風(fēng)險等級。經(jīng)過風(fēng)險分析與計算，本文所述時間點(diǎn)(2022年1月)的管道風(fēng)險評價結(jié)果為：全部390個評價單元中無中高及以上風(fēng)險單元；中風(fēng)險單元共計26個，占全部評價單元的比例為6.7%；低風(fēng)險單元共計364個，占全部評價單元的比例為93.3%。評價單元的失效可能性等級未大于2級。本文所述時間點(diǎn)(2022年1月)的容器風(fēng)險評價結(jié)果為：全部47個評價單元中無中高及以上風(fēng)險單元；中風(fēng)險單元共計13個，占全部評價單元的比例為27.7%；低風(fēng)險單元共計34個，占全部評價單元的比例為72.3%。評價單元的失效可能性等級未大于3級。將上述評價結(jié)果與各設(shè)備單元存在的失效模式、風(fēng)險等級與可接受性相結(jié)合，可作為制定具有針對性的單元檢驗維護(hù)策略(包括檢測方法、范圍和周期)的依據(jù)。

2.1.4 維護(hù)維修

根據(jù)風(fēng)險評價、檢測評價結(jié)果，制定維修維護(hù)計劃；根據(jù)維修維護(hù)計劃，編制維修維護(hù)方案；根據(jù)維修維護(hù)方案，落實(shí)維修維護(hù)工作所需要的物資資源，開展具體的維修維護(hù)工作。接收站靜設(shè)備的檢驗檢測工作應(yīng)是在靜設(shè)備損傷機(jī)理和失效模式分析及風(fēng)險評價基礎(chǔ)上制定針對性的計劃并實(shí)施的。在按接收站工藝流程確定壓力容器、壓力管道損傷機(jī)理和失效模式的基礎(chǔ)上，對設(shè)備及其關(guān)鍵部位制定針對性的檢驗策略。

容器的檢驗類型包括停機(jī)內(nèi)部檢驗、停機(jī)外部檢驗和在線檢驗。管道的檢驗類型包括停機(jī)外部檢驗和在線檢驗。對容器進(jìn)行首次檢驗時，若具備條件，則應(yīng)進(jìn)行停機(jī)內(nèi)部檢驗，否則進(jìn)行停機(jī)外部檢驗或在線檢驗；非首次檢驗時，若具備條件，則優(yōu)先選擇停機(jī)內(nèi)部檢驗，否則進(jìn)行停機(jī)外部檢驗或在線檢驗。管道可以進(jìn)行在線檢驗，必要時選擇停機(jī)外部檢驗。

檢驗時間點(diǎn)一般分為評估時間點(diǎn)、本次停機(jī)檢修時間點(diǎn)和預(yù)計的下次停機(jī)檢修時間點(diǎn)。檢驗時間的確定應(yīng)以在預(yù)計的下次停機(jī)檢修時間點(diǎn)設(shè)備的風(fēng)險位于可接受水平之下為標(biāo)準(zhǔn)；如果在本次停機(jī)檢修時間點(diǎn)之前，設(shè)備的風(fēng)險已到達(dá)或超過風(fēng)險可接受水平，應(yīng)立即實(shí)施檢驗；如果在預(yù)計的下次停機(jī)檢修時間點(diǎn)之前，設(shè)備的風(fēng)險已達(dá)到或超過風(fēng)險可接受水平，應(yīng)在本次停機(jī)檢修時間點(diǎn)實(shí)施檢驗；若同一設(shè)備的不同部件檢驗時間不同，則應(yīng)根據(jù)最近檢驗時間點(diǎn)確定設(shè)備整體的檢驗時間。

首次檢驗時，應(yīng)按較高保守程度確定檢驗范圍。確定檢驗范圍時，應(yīng)確保其能夠覆蓋所有腐蝕回路。靜設(shè)備容器、管道的檢驗范圍如表2所示。

表2 靜設(shè)備容器和管道的檢驗范圍

2.1.5 變更報廢

變更是指對設(shè)備設(shè)施本身及附屬設(shè)施的改變，主要分為臨時變更、永久變更和緊急變更。設(shè)備報廢評估應(yīng)以設(shè)備可靠性、安全風(fēng)險、環(huán)保要求和運(yùn)行效能為重點(diǎn)開展，并將評估報告結(jié)論作為設(shè)備報廢的依據(jù)。接收站主要通過申請、評價、審批、實(shí)施、驗收評價等環(huán)節(jié)把控，對設(shè)備設(shè)施變更過程進(jìn)行管理和控制，減少或避免因變更產(chǎn)生的風(fēng)險。

2.1.6 效能評價

基于分析評價和措施執(zhí)行的成本、效果等表征指標(biāo)，評估當(dāng)前管理周期的措施策略的實(shí)施效果，查找問題并形成針對下一管理周期的改進(jìn)建議【4】。接收站以風(fēng)險管控為主線進(jìn)行細(xì)化分解，從數(shù)量、性質(zhì)及結(jié)構(gòu)邏輯關(guān)系上體現(xiàn)差異性和個性化，全面地對檢維修質(zhì)量、設(shè)備可靠性、維修成本和效率進(jìn)行評價。

1) 研究確定設(shè)備設(shè)施關(guān)鍵績效指標(biāo)(公司層級、專業(yè)層級、運(yùn)行單元及裝置層級)

從安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性3個維度分別設(shè)定設(shè)備設(shè)施管理績效指標(biāo)。安全性方面考慮設(shè)備故障導(dǎo)致的泄漏、火災(zāi)、爆炸場景，非計劃停工，安全聯(lián)鎖功能故障率等因素；可靠性方面考慮設(shè)備無故障運(yùn)行時長、維修頻次等因素；經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)包括能源利用效率、設(shè)備能效、檢維修時間和費(fèi)用等因素。

篩選設(shè)備設(shè)施管理指標(biāo)，從公司層級、專業(yè)層級、運(yùn)行單元及裝置3個層級分別精簡，建立指標(biāo)的分級控制策略。公司層級主要關(guān)注裝置可靠性指數(shù)、維修成本指數(shù)、千臺套設(shè)備備件消耗、關(guān)鍵設(shè)備故障率、管理活動執(zhí)行率、執(zhí)行能力指數(shù)等建立于下級指標(biāo)基礎(chǔ)上的總體統(tǒng)計分析。專業(yè)層級上劃分為動、靜、電、儀的設(shè)備專業(yè)，分別制定管理指標(biāo)，如動設(shè)備故障率、靜設(shè)備缺陷與泄漏率、電氣動作與能耗、儀表安全完整性等級符合度等。運(yùn)行單元和裝置層級則關(guān)注設(shè)備本體狀況、部件壽命、無故障運(yùn)行時間、維修成本等。

2) 制定效能指標(biāo)評判標(biāo)準(zhǔn)(設(shè)定評判體系、設(shè)定目標(biāo)值)

基于劃定的公司層級、專業(yè)層級、運(yùn)行單元及裝置等不同層級，根據(jù)確定的相應(yīng)績效指標(biāo)的測算情況和各運(yùn)行單元的實(shí)際情況，設(shè)定評判體系，確定指標(biāo)的評判依據(jù)、評判范圍、評判機(jī)制等。結(jié)合模糊層次分析法與專家打分法確定各項指標(biāo)的權(quán)重，構(gòu)建分析計算數(shù)理模型。采用試點(diǎn)樣本數(shù)據(jù)對設(shè)備設(shè)施完整性管理效能進(jìn)行計算評價，并持續(xù)修正指標(biāo)權(quán)重與評分標(biāo)準(zhǔn)，形成效能分析評價方法，以達(dá)到衡量或評判設(shè)備設(shè)施管理工作質(zhì)量的目的。

基于風(fēng)險的檢驗維修程序(RIMAP，即Risk Based Inspection and Maintenance Procedures)中，對于不同設(shè)備類型有相應(yīng)適應(yīng)的方法流程【4】(如靜設(shè)備基于風(fēng)險的檢驗、動設(shè)備以可靠性為中心的維護(hù)、安全儀表系統(tǒng)安全完整性等級評價等)。借鑒基于風(fēng)險的檢驗(RBI)【6-7】技術(shù)方法，建立靜設(shè)備的風(fēng)險評估模型和流程，用于靜設(shè)備的風(fēng)險評價，并根據(jù)風(fēng)險評價的結(jié)果，選取有效的檢驗方法、檢驗位置及范圍，開展接收站靜設(shè)備的檢測與評價。以風(fēng)險可接受為目標(biāo)原則，根據(jù)設(shè)備潛在損傷模式、失效機(jī)理及流場分析結(jié)果制定檢驗策略【8-9】，確定各設(shè)備單元的檢驗時間、檢驗類型、檢驗方法和檢驗有效性，形成檢驗策略并制定計劃實(shí)施檢驗工作。靜設(shè)備基于風(fēng)險的檢驗工作的完整性管理流程如圖2所示。

圖2 靜設(shè)備完整性管理流程

3 靜設(shè)備風(fēng)險分析

3.1 風(fēng)險計算

設(shè)備單元的風(fēng)險來自于兩個方面，一方面是評價單元的失效可能性，另一方面是評價單元的失效后果。風(fēng)險計算公式如式(1)所示。

R(t)=Pf(t)×C(t)

(1)

式中，R(t)——風(fēng)險；

Pf(t)——失效可能性；

C(t)——失效后果。

可以看出：風(fēng)險是隨著時間累積的函數(shù)；隨著減薄、裂紋或其他損傷機(jī)理在運(yùn)行時間上的積累，損傷因子逐漸增大。當(dāng)設(shè)備單元存在多個損傷機(jī)理時，各損傷機(jī)理對應(yīng)的風(fēng)險將疊加，得到一個與時間相關(guān)的總風(fēng)險。

3.2 失效可能性分析

結(jié)合GB/T 26610—2011(以下簡稱GB/T 26610)《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗實(shí)施導(dǎo)則》的相關(guān)要求，承壓/非承壓容器、管道的預(yù)期失效概率由同類設(shè)備平均失效概率、設(shè)備修正系數(shù)、管理系統(tǒng)評價系數(shù)的乘積決定。同類設(shè)備平均失效概率值與設(shè)備類型、泄漏頻率有關(guān)；設(shè)備修正系數(shù)參考GB/T 26610.4《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗實(shí)施導(dǎo)則 第4部分 失效可能性定量分析方法》的要求確定；同一企業(yè)不同設(shè)備的管理系統(tǒng)評價系數(shù)相同。

安全閥的失效模式主要有安全閥失效泄漏、安全閥開啟失效和安全閥回座失效3類。安全閥風(fēng)險運(yùn)用安全閥模塊進(jìn)行計算。目前，RBI風(fēng)險分析計算只能考慮安全閥失效泄漏、安全閥開啟失效兩種失效機(jī)理。

接收站主要工藝設(shè)備存在的損傷機(jī)理如表3所示。

表3 接收站主要工藝設(shè)備的損傷機(jī)理

3.3 失效后果分析

失效后果的定量計算則根據(jù)失效場景建立數(shù)學(xué)模型，分析失效后發(fā)生的災(zāi)害類型和影響范圍，估算其造成的損失情況【10-11】。計算模型應(yīng)考慮天然氣介質(zhì)的物理化學(xué)特性、泄漏速率、點(diǎn)燃概率、災(zāi)害種類等因素。失效后果分析流程如圖3所示。

圖3 失效后果分析流程

本接收站內(nèi)設(shè)備設(shè)施因主要工作介質(zhì)成分純凈，相對存在較少腐蝕影響因素，但因液化天然氣介質(zhì)的易燃易爆危險性及生產(chǎn)生活重要性，一旦發(fā)生失效泄漏，后果相對來說比較嚴(yán)重。典型的失效后果場景包括泄漏后的介質(zhì)損失、介質(zhì)擴(kuò)散導(dǎo)致的人員窒息危險以及點(diǎn)火源存在時的火災(zāi)與爆炸次生災(zāi)害；主要后果分為人員健康傷害、經(jīng)濟(jì)損失、社會影響3個方面。

3.4 風(fēng)險評估

基于風(fēng)險的檢驗技術(shù)的關(guān)鍵是風(fēng)險評估，即掌握設(shè)備風(fēng)險分布。RBI技術(shù)將風(fēng)險定義為失效概率與失效后果的乘積，通常用5×5風(fēng)險矩陣來表示風(fēng)險等級【12】,如圖4所示。為直觀顯示全部評價設(shè)備的風(fēng)險水平，將相同風(fēng)險級別(即高風(fēng)險、中高風(fēng)險、中等風(fēng)險和低風(fēng)險)的設(shè)備單元分布在以失效后果為橫軸、以失效可能性等級為縱軸的風(fēng)險矩陣中。圖中紅色部位為高風(fēng)險，綠色部位為中高風(fēng)險，黃色部位為中風(fēng)險，白色部位為低風(fēng)險。

圖4 風(fēng)險矩陣

4 結(jié)語

基于風(fēng)險分析的靜設(shè)備完整性管理(如表4所示)是LNG接收站全周期安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障。基于風(fēng)險分析的檢測在對系統(tǒng)中固有或潛在的危險發(fā)生的可能性與后果進(jìn)行科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，找出薄弱環(huán)節(jié)，最大程度確保設(shè)備本質(zhì)安全并減少檢維修費(fèi)用。

表4 靜設(shè)備完整性管理匯總表

(續(xù)表4)

總之，基于風(fēng)險分析開展靜設(shè)備完整性管理對于加強(qiáng)設(shè)備的安全可靠性是非常有效的方法，對于加強(qiáng)LNG接收站的設(shè)備安全管理起到了積極示范作用，對于提升我國?；沸袠I(yè)的風(fēng)險管理技術(shù)水平起到了積極促進(jìn)作用。